基于地面力学的筛网轮牵引通过性研究

筛网轮具有质量轻、转向阻力小等优点,但其在松软干沙路面上的牵引通过性研究比较少。本文设计了轻型轮壤土槽测试系统,以车轮沉陷量、驱动扭矩、挂钩牵引力和牵引系数为指标,在土壤松散和自然状态下进行筛网轮和圆柱轮牵引通过性对比试验,基于轮辙非接触测量获取筛网轮表观沉陷量。结果表明：试验条件下,筛网轮实际沉陷量范围分别为13.1~26.3mm（松散状态）和8.1~18.7mm（自然状态）,较圆柱轮平均分别增加了26.4%（松散状态）和22.7%（自然状态）;随着滑转率的增加,筛网轮表观沉陷量呈现减小趋势,圆柱轮则呈现先增加后减小趋势。车轮驱动扭矩、挂钩牵引力随着滑转率的增加而增加,牵引系数呈现先增加后减小趋势;筛网轮驱动扭矩最大值分别为3.18N·m（松散状态）和3.76N〖DK〗·m（自然状态）,筛网轮挂钩牵引力最大值分别为8.46N（松散状态）和9.9N（自然状态）,自然状态土壤较松散状态时挂钩牵引力平均提高了16.7%;与筛网轮相比,圆柱轮驱动扭矩较筛网轮平均提高了45.2%,挂钩牵引力则平均提高了30.9%（松散状态）和33.6%（自然状态）;筛网轮牵引系数明显较圆柱轮大,自然状态下筛网轮牵引系数最大值为0.29,较松散状态下提高了17.9%。综合考虑车轮沉陷量、牵引系数的影响,筛网轮在干沙路面上比圆柱轮具有更好的牵引通过性。     

驯鹿足底非规则特征形貌数学模型构建及验证

为攻克常规防滑轮胎在冰面上通过性低的难题,以驯鹿足为仿生原型,对驯鹿足底特征形貌进行分析。该文通过逆向工程技术,将驯鹿足单个足底划分为内、外侧边缘曲线、脊线凹槽面和足跟凸冠面4个典型部位。运用1st Op软件和MATLAB软件对特征部位拟合并构建数学模型,利用X射线能谱仪对驯鹿足底特征部位进行元素分析。内、外侧边缘曲线方程的决定系数R~2分别为0.994、0.992;脊线凹槽面和足跟凸冠面曲面方程的R~2分别为0.96、0.98。通过模型验证发现,模型拟合值与实际值的相对误差均值在5%以下,实现了驯鹿足底特征形貌从生物模型到数学模型的转化。能谱分析结果表明驯鹿足底除含有大量的碳、氧及氮元素外,硫、硅、铁、铝、钙5种元素含量较高,并且不同部位的元素存在差别。该研究可为工程仿生技术应用于冰路面行驶车辆胎面设计提供新的研究方向和参考依据。     

一种梯度耐磨材料制备工艺与组织特征

根据仿生学原理,把梯度功能材料的设计思想扩展用于“量大面广”的耐磨材料,研制了一种与部件一体化制做的新型梯度耐磨材料及其制备工艺,对主要工艺参数的选择进行了计算和讨论,并研究了材料的组织特征、力学性能和耐磨性。     

中华绒螯蟹平面运动三维观测和动力学分析

为给适应复杂路面的多足仿生机器人或步行移动平台的研究提供理论依据,该文以中华绒螯蟹为研究对象,使用三维运动图像采集系统采集其运动图像,并使用三维运动图像分析系统得到中华绒螯蟹质心的运动学参数,分析结果表明：中华绒螯蟹在平面运动时主要使用跳跃步态;质心动能、重力势能以及总机械能呈正弦波动,动能与重力势能同相;使用恢复系数表示动能和重力势能相互转换的效率,其平均值为31.73%±17.29%,恢复系数和平均速率没有相关关系;质心机械能比质量功率随平均速率的增长呈线性增加;质心水平动能比质量功率和重力势能比质量功率对中华绒螯蟹身体的加速和抬升起主要作用。该研究可为研究适应复杂路面的仿生机器人或移动平台提供理论依据。     

越沙步行轮仿生设计及动力学性能仿真

为提高车轮在沙土介质环境的通过性能,基于鸵鸟足趾结构形貌与运动方式,设计出一种仿生越沙步行轮。该步行轮通过轮脚中的定立柱和动滑块相互配合实现对轮下沙土的限流紧固功能,同时自适应带动轮刺机构进入附着牵引工作状态与离沙减扰非工作状态。采用多刚体动力学分析软件,预测了仿生越沙步行轮轮腿各部件之间的活动范围和干涉情况。采用离散元软件,分析了轮脚底面/沙土相互作用关系,验证了该仿生越沙步行轮具有良好的固沙限流、牵引附着性的特点。该研究为提高松软地面中步行机构的通过性能提供了参考。     

仿生步行足沙地力学特性研究

基于螃蟹对滩涂、沙地、湿地等有很强的运动适应性,参照中华绒螯蟹步行足指节的结构,设计了4种仿生步行足:圆锥、圆锥沟纹、棱锥和圆柱沟纹步行足,并与圆柱足对照。通过土槽试验,考察在多种试验条件下,不同步行足对入土力、支承力、推进力和出土力的影响,并采用正交试验分析影响推进力的主要因素。与圆柱足的对比试验结果表明:仿生足有良好的沙地力学特性,锥形仿生足入土力减小64.71%~95.43%;圆柱沟纹仿生足使支承力增加9.48%~24.31%,推进力提高3.84%;仿生足出土力降低13.26%~89.83%,有效减少能耗。研究成果为松软路面步行机构触土部件的设计与优化提供了基础依据。     

仿生锥形触土部件水平阻力研究

为提高松软地面步行机构及农业机械的通过性能,以中华绒螯蟹步足的指节结构为生物原型,加工3种不同锥度的仿生锥形触土部件,并将圆柱触土部件作为对比试样。通过触土部件在干沙中的水平阻力测试,分析了速度、入土深度和锥角3种因素对触土部件土壤阻力的影响。研究发现,水平阻力随触土部件入土深度和锥角的增加而显著增大,呈2次方关系,水平阻力随锥角增大最多可提高167.57%;速度小幅线性增大时,速度的增加使水平阻力最多增大11.37%,仿生锥形试样比圆柱试样具有更高的推进效率。结合试验结果和ALBERT提出的圆柱杆土壤阻力估计式,建立了用于预测等截面触土部件与变截面触土部件土壤阻力的计算式,并将计算值与试验值进行对比分析。结果表明,二者残差低于3.62N,平均相对误差小于22.77%,具有较高的准确性。     

中华绒螯蟹平面运动三维观测和步态分析

为了研究中华绒螯蟹在平面行走的步态,使用高速摄像机和三维运动分析软件建立了运动图像采集和分析系统.结果表明:中华绒螯蟹在行走时采用交替四角步态;相邻的两腿之间异步,相隔和对角线两条腿之间同步;各腿的负荷因数为(55.60±7.53)％,说明中华绒螯蟹通过增加支撑相使其身体在行走时更加稳定.     

通过国际合作促进素质教育与人才培养的实践

提高科研水平,培养优秀科研人才,一直是高等学校的一个长期而又重要的目标。笔者阐述了依托 科研项目等方面的教学研究,采用多种形式,拓宽与国际著名科研机构的合作渠道,在优势互补、共同提高的前 提下,进行生物与农业工程专业工程仿生交叉学科高层次人才素质教育与创新能力培养的实践。     

仿生学在农业工程学科教学中的应用

在农业工程研究生教学中引入了新的仿生学课程,本文重点探讨该课程的基本内容、设计思想和涉 及的软件。该课程以信息量大、内容新和适应研究生自学为特点,所开发的配套课件具有界面友好、形式新颖易 于升级的特点。本课程扩展了传统农业工程学科的学科领域,有利于研究生创新能力的培养。